Manufatura Aditiva de Tubos de Chama de Câmaras de Combustão com Soluções Metálicas da Farsoon
Contexto
Conhecida como o “coração” de um motor de turbina, a câmara de combustão é responsável pela tarefa crítica de queimar grandes quantidades de combustível com volumes extensos de ar, a fim de gerar calor e um fluxo de gás uniforme e suave, necessário para a operação nominal da turbina.
Um tubo de chama — o tema deste artigo — fica espaçado da carcaça da câmara de combustão ao longo do eixo central do motor da turbina. Projetado com múltiplos orifícios de admissão, o tubo de chama cria o gás superaquecido que rapidamente eleva o combustível injetado à temperatura de ignição.
Sendo um componente-chave da câmara de combustão, o tubo de chama precisa suportar condições extremas de calor e pressão, alcançando simultaneamente a confiabilidade e a eficiência exigidas. Como um dos principais especialistas no design e fabricação de câmaras de combustão de motores e sistemas de injeção de combustível para as indústrias aeroespacial e naval na China, a Chengli Aviation utiliza a tecnologia de manufatura aditiva de metal da Farsoon para o desenvolvimento de tubos de chama com maior durabilidade e otimização de peso.
Figura 1: Tubo de chama de câmara de combustão fabricado por manufatura aditiva. Design da Chengli Aviation, produzido na Farsoon FS271M. Imagem cortesia: Farsoon Technologies
O Desafio
A confiabilidade é uma consideração crítica no design de um tubo de chama. Com condições operacionais extremas, que incluem altas temperaturas, gases corrosivos com liberação de calor e fluxo de ar pulsante turbulento, o tubo de chama está sujeito a um estresse térmico que frequentemente gera falhas, como rachaduras, ablação, descamação, deformação, etc.
Sob essas condições extremas de trabalho, o tubo de chama é projetado com estruturas complexas para atingir a resistência e a funcionalidade necessárias. Essas estruturas — que incluem estruturas perfuradas, zona primária, corpo do tubo de chama, orifícios de ar e descarga de gás — são extremamente difíceis de fabricar pelos meios tradicionais. Além disso, a parede do tubo de chama é concebida com centenas de características de tamanhos variados, incluindo orifícios de ar primários, orifícios de ar secundários e orifícios de ar de diluição.
Essas estruturas e características complexas resultam em um design de peça difícil de ser fabricado utilizando técnicas tradicionais. O tubo de chama precisa ser fabricado como peças separadas, que depois são unidas por meio de múltiplos processos de corte, dobra e soldagem. A complexidade dessa fabricação é extremamente desafiadora e influencia fortemente a confiabilidade da peça final, uma vez que as peças montadas aumentam o potencial de danos durante as operações, resultando em uma maior taxa de rejeição.
Para piorar, a montagem dificulta o controle preciso do tamanho do produto, o que é fundamental para alcançar a eficiência da combustão e a estabilidade do padrão do fluxo de ar. Somando a isso, os múltiplos processos de usinagem e montagem resultam em iterações de design lentas durante o desenvolvimento e longos ciclos de fabricação.
A Solução Ideal para a Aplicação
No início de 2017, a Chengli Aviation adotou a Manufatura Aditiva de Metal da Farsoon para superar os desafios no processo de design e fabricação de componentes de motores aeroespaciais. O sistema aberto de manufatura aditiva de metal da Farsoon oferece uma liberdade sem precedentes para a geometria do design e para o ajuste dos parâmetros de processamento que melhor se adaptam à aplicação do tubo de chama (Figura 1).
O GH3536 (Número UNS N06002), uma liga de alta temperatura à base de níquel amplamente utilizada em componentes de câmaras de combustão de turbinas aeroespaciais, é usado para esta aplicação. Apresentando excelente resistência à oxidação e corrosão, boa processabilidade e desempenho de soldagem, o GH3536 impresso no sistema de metal da Farsoon pode atingir uma variedade de características de desempenho através de diferentes processos de tratamento térmico.
Sendo uma das pioneiras na adoção de tecnologia aditiva no setor aeroespacial na China, a Chengli Aviation utiliza sua Farsoon FS271M para colaborar com a Farsoon no desenvolvimento de parâmetros de processamento do GH3536, a fim de atingir o desempenho, o tratamento térmico e a qualidade de superfície exigidos para sua aplicação específica. Graças à estratégia de materiais e parâmetros abertos da Farsoon, a Chengli Aviation consegue ajustar ainda mais seu sistema para materiais e parâmetros de processamento especializados à medida que sua gama de aplicações se expande.
Os Resultados
O design otimizado por manufatura aditiva do tubo de chama conseguiu combinar as 9 peças individuais anteriores em apenas 1 peça, produzida pela Farsoon FS271M de forma inteiriça. Isso simplificou a complexidade da fabricação tradicional e do processo de montagem, reduzindo o ciclo de produção em 50%, enquanto aprimorou a integridade estrutural, a precisão dimensional e a taxa de sucesso da produção ao eliminar a soldagem manual das juntas. O tubo de chama pós-processado foi aprovado em testes funcionais sob condições de trabalho, comprovando sua confiabilidade em altas temperaturas.
Além disso, o tubo de chama produzido aditivamente obteve uma redução de peso de 20% em comparação com o processo original, mantendo os mesmos requisitos de resistência estabelecidos. O menor peso de componentes-chave de combustão significa aumento da eficiência, maiores distâncias de voo e mais capacidade de carga para a aeronave. Adicionalmente, o design mais leve melhora a eficiência do combustível de combustão, auxiliando na redução da poluição atmosférica.
Graças à estratégia avançada de varredura (scanning) da Farsoon, o tubo de chama recém-construído atinge uma qualidade de superfície impressa ideal de 6 μm, resultando em menos necessidade de pós-processamento. Detalhes como orifícios de ar primários de 0,5 mm de diâmetro podem ser alcançados. A peça também foi projetada aditivamente exigindo o mínimo de estruturas de suporte, o que contribui para a melhora na qualidade da superfície.
“Temos total confiança em trabalhar com a tecnologia aditiva e os serviços da Farsoon”, afirma a Chengli Aviation. “Continuamos recebendo enormes benefícios ao utilizar as máquinas de plataforma aberta da Farsoon, onde nossos engenheiros têm acesso total para explorar uma variedade de configurações para as aplicações. Nossa equipe agora utiliza ativamente múltiplos sistemas da Farsoon para uma ampla gama de projetos e componentes, desde prototipagem de design e produção de pequenos lotes até certificações, incluindo bicos de combustível, anéis de injeção de combustível, injetores principais, componentes da câmara de combustão, pás de turbina, rotores de motor, turbilhonadores (swirlers), etc.”
Sobre a Farsoon
A Farsoon Technologies, fundada em 2009 pelo Dr. Xu Xiaoshu — um dos pioneiros da tecnologia de sinterização a laser com mais de 20 anos de experiência no setor —, é hoje uma fornecedora líder de máquinas de sistemas industriais de Fusão de Metal a Laser e Sinterização de Plástico a Laser. A Farsoon desenvolveu uma equipe de especialistas de classe mundial com competências em engenharia elétrica/mecânica, laser, varredura (scanning) e óptica, controles térmicos, bem como desenvolvimento de materiais e engenharia de aplicações. Com a visão clara de estar “Aberta para a Indústria”, a Farsoon tem o compromisso de apoiar a produção industrial com sistemas, materiais, parâmetros e aplicações abertas. Para mais informações, visite: www.farsoon.com
Sobre a Chengli Aviation
A Chengli Aviation é a empresa líder especializada no design, desenvolvimento e produção de câmaras de combustão de motores e sistemas de injeção de combustível para a indústria de aviação, aeroespacial e naval. Contando com um sólido histórico tanto em soluções de manufatura tradicionais quanto em tecnologia aditiva, a Chengli Aviation é capaz de fornecer produtos de qualidade e inovação incomparáveis ao mercado.
Autor: Chenlu Fang, Global Marketing Manager, Farsoon Technologies
Sobre a UP3D
Como demonstrado no exigente setor aeroespacial com a produção de tubos de chama para câmaras de combustão, a manufatura aditiva metálica da Farsoon supera desafios extremos ao unificar componentes complexos, reduzir o peso em 20% e cortar pela metade o ciclo de fabricação. Se você busca aplicar esse mesmo nível de inovação, resistência estrutural e eficiência aos seus projetos, a UP3D tem as tecnologias e a expertise necessárias para elevar o patamar da sua manufatura. Acesse o nosso site, converse com nossos especialistas e descubra como nossas soluções avançadas em impressão 3D industrial podem revolucionar a sua linha de produção!
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